Le matériau adsorbant filtre le chrome toxique et l’arsenic provenant de l’approvisionnement en eau

Les chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie s’attaquent à un défi mondial de l’eau avec un matériau unique conçu pour cibler non pas un, mais deux polluants de métaux lourds toxiques pour une élimination simultanée.

Santa Jansone-Popova de l’ORNL de la Division des sciences chimiques et Ping Li, maintenant chez Elementis Global, ont découvert un adsorbant à haute sélectivité pour le chrome et l’arsenic dans des conditions réelles où les ressources en eau contiennent de nombreux éléments chimiquement similaires.

Résultats publiés dans Petit a démontré que le nouveau matériau capture le chrome et l’arsenic dans un rapport équilibré de 2 pour 1. L’avancée fondamentale crée une synergie entre la capture du chrome et de l’arsenic de sorte que plus le matériau saisit de chrome, plus il peut également éliminer d’arsenic.

« Il est rare qu’un adsorbant capture deux polluants simultanément et fonctionne rapidement et efficacement dans des scénarios réalistes pour répondre au large éventail de conditions de l’eau dans le monde », a déclaré Jansone-Popova.

Le chrome et l’arsenic sont deux des polluants les plus dangereux trouvés dans l’eau potable dans le monde. Les deux sont toxiques et peuvent avoir des effets néfastes sur la santé, y compris le cancer. Même de faibles niveaux présentent des risques importants pour les organismes vivants car les doses se bioaccumulent ou s’accumulent à chaque exposition et peuvent progressivement atteindre des quantités nocives. Ces éléments se produisent naturellement, mais leur présence dans l’environnement a augmenté avec l’industrie et l’urbanisation en tant que sous-produits de l’exploitation minière, de la production et de la fabrication. Les rejets ont un impact sur l’air, le sol et l’eau, mais l’eau potable est la voie d’exposition la plus courante.

Dans l’eau, ces métaux se dissolvent pour former des oxoanions de chromate et d’arséniate, ou des sels, qui sont chimiquement similaires aux minéraux bénéfiques naturellement présents dans l’eau, notamment le phosphate, le sulfate, le nitrate et le bicarbonate. Le chromate et l’arséniate sont très mobiles dans l’eau et peuvent avoir des impacts considérables. Ils ne se dégradent pas et sont permanents dans l’environnement sans intervention. Des approches ciblées sont nécessaires pour séparer ces métaux des sels minéraux inoffensifs qui sont vitaux pour l’écosystème.

Jansone-Popova fait partie d’un groupe de l’ORNL spécialisé dans l’étude des adsorbants, des matériaux conçus pour cibler des éléments spécifiques et les lier à une surface. Les adsorbants ont de nombreuses applications pour aider à récupérer les métaux précieux ou éliminer les polluants de l’environnement.

« Ils sont l’une des options de traitement de l’eau les plus prometteuses car ils sont abordables, faciles à déployer et peuvent fonctionner rapidement pour filtrer les réserves d’eau, mais ils doivent être adaptés pour une utilisation pratique dans les scénarios de nettoyage », a déclaré Jansone-Popova. « Le défi consiste à concevoir des matériaux capables d’isoler efficacement des traces d’éléments nocifs très similaires aux espèces chimiques en vrac présentes dans l’eau. »

Dans la conception d’adsorbants, la sélectivité est essentielle. Étant donné que la surface d’un matériau offre un espace limité, l’objectif est de ne saisir que des éléments ciblés et d’en capturer le plus possible avant que l’adsorbant ne se remplisse et doive être remplacé ou recyclé. Les matériaux peu sélectifs manquent de précision pour identifier les cibles dans des environnements mixtes, tels que l’eau, où des éléments similaires se disputent l’espace.

Jansone-Popova a précédemment dirigé la conception d’un adsorbant à haute sélectivité pour le chromate qui agit rapidement et en présence d’espèces concurrentes pour décontaminer l’eau. Une étude publiée dans Sciences et technologies de l’environnement ont montré que le nouveau matériau diminuait les concentrations de chromate de 100 fois en une minute (1 partie par million à 10 parties par milliard) et atteignait un niveau d’un ordre de grandeur inférieur aux limites autorisées fixées par l’Agence américaine de protection de l’environnement.

L’équipe avec Ping Li s’appuie sur l’approche pour développer un cadre permettant de capturer à la fois le chromate et l’arséniate avec un seul matériau.

« Notre matériau de départ est très efficace pour capturer le chrome sous sa forme la plus toxique, le chrome hexavalent, mais l’approche n’a pas été conçue pour être sélective pour l’arsenic », a déclaré Li. « Au fur et à mesure que cette réaction se produit, cependant, le matériau change, créant une plate-forme pour de nouvelles chimies. »

Les chercheurs ont modifié la structure originale pour réduire le chrome-6 capturé dans un état moins toxique, le chrome-3. Le chrome-3 a également l’avantage de fournir un point d’ancrage pour lier l’arséniate. La nouvelle structure permet une réaction chimique qui forme des amas stables de chromate-arséniate fortement liés à la surface. Le résultat emprisonne efficacement les toxines de façon permanente car elles ne se détacheront pas ou ne se détacheront pas du matériau du filtre sans élimination intentionnelle par traitement chimique.

« Nous avons tiré parti de la capture efficace du chrome hexavalent pour introduire une nouvelle architecture qui pourrait également se lier à l’arsenic », a déclaré Li.

L’arséniate de chromate, autrefois utilisé comme additif dans le bois traité sous pression, a inspiré la structure.

L’équipe a breveté la structure et travaille avec des collaborateurs pour étendre l’approche à d’autres polluants environnementaux.

« Des découvertes fondamentales comme celles-ci peuvent nous aider à réduire les polluants toxiques dans l’environnement et à atteindre les objectifs réglementaires en matière d’eau propre », a déclaré Jansone-Popova.